石大传感器与检测技术课件04热电偶传感器

2026/7/1912.4热电偶传感器2026/7/192基本要求和重点掌握有关热电偶的基本概念掌握热电偶传感器的基本工作原理掌握热电偶的基本定律、基本类型、温度补偿方法、使用热电偶的测温方法会使用分度表2026/7/1932.4.1热电偶工作原理1.热电偶测温原理2.热电偶基本定律2026/7/194

热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。热电势、热电偶、热电极热端（测量端或工作端）、冷端（参考端或自由端）1.

热电偶测温原理2026/7/195

热电偶回路2026/7/196接触电动势

接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。两接点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）可表示为含义：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。2026/7/197

同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。大小表示：

温差电动势机理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。2026/7/198热电偶回路中产生的总热电势

2026/7/199热电偶回路中产生的总热电势

eAB(T,T0)=eAB(T)＋eA(T,T0)－eAB(T0)－eB(T,T0) 忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：

热电势存在必须具备两个条件：一、两种不同的金属材料组成热电偶，二、它的两端存在温差。2026/7/1910影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关两热电极相同时，总电动势为0两接点温度相同时，总电动势为0对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即

可见：只要测出eAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。讨论2026/7/1911热电偶的分度表不同金属组成的热电偶，温度与热电动势之间有不同的函数关系，一般通过实验的方法来确定，并将不同温度下测得的结果列成表格，编制出热电势与温度的对照表，即分度表。供查阅使用，每10℃分档。中间值按内插法计算。2026/7/1912S型(铂铑10-铂)热电偶分度表2026/7/1913

均质导体定律中间导体定律

中间温度定律标准电极定律2.热电偶基本定律2026/7/1914均质导体定律由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。意义：有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。2026/7/1915

在热电偶测温回路内，接入第三种导体时，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势没有影响。中间导体定律

应用：利用热电偶进行测温，必须在回路中引入连接导线和仪表，接入导线和仪表后不会影响回路中的热电势。2026/7/1916测量仪表及引线作为第三种导体的热电偶回路2026/7/1917中间温度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)

在热电偶测温回路中，tc为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为t、t0时的热电势eAB(t,t0)等于热电偶AB在接点温度t、tc和tc、t0时的热电势eAB(t,tc)和eAB(tc,t0)的代数和，即2026/7/1918中间温度定律eAB(t,t0)=eAB(t,tc)+eAB(tc,t0)2026/7/1919中间温度定律的应用

根据这个定律，可以连接与热电偶热电特性相近的导体A′和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。

该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中,利用热电偶这一性质,可对参考端温度不为0℃的热电势进行修正。2026/7/1920标准导体（电极）定律2026/7/1921标准导体定律的意义通常选用高纯铂丝作标准电极只要测得它与各种金属组成的热电偶的热电动势，则各种金属间相互组合成热电偶的热电动势就可根据标准电极定律计算出来。2026/7/1922例子热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为－4.0mV，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：2.95－(－4.0)=6.95(mV)2026/7/1923

为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有：普通型热电偶特殊热电偶－铠装型热电偶－薄膜热电偶

2.4.3热电偶的结构与种类2026/7/1924普通型热电偶结构2026/7/1925（a）1—接线柱；2—接线座；3—绝缘套管；4—热电极（b）1—测量端；2—热电极；3绝缘套管；4—保护管；5—接线盒2026/7/1926

优点：测温端热容量小，动态响应快；机械强度高，挠性好，可安装在结构复杂的装置上。铠装型热电偶2026/7/1927薄膜热电偶

特点：热接点可以做得很小（μm），具有热容量小、反应速度快（μs）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。2026/7/1928热电极材料的选取性能稳定温度测量范围广物理化学性能稳定导电率要高，并且电阻温度系数要小材料的机械强度要高，复制性好、复制工艺简单，价格便宜2026/7/1929工程用热电偶材料应满足条件：热电势变化尽量大，热电势与温度关系尽量接近线性关系，物理、化学性能稳定，易加工，复现性好，便于成批生产，有良好的互换性。热电偶的种类

国际电工委员会（IEC）向世界各国推荐8种标准化热电偶（已列入工业标准化文件中，具有统一的分度表）。我国已采用IEC标准生产热电偶，并按标准分度表生产与之相配的显示仪表。2026/7/1930标准化热电偶的主要性能和特点2026/7/1931标准化热电偶的主要性能和特点2026/7/1932标准化热电偶热电势和温度的关系

2026/7/1933非标准化热电偶

名称热电极材料使用温度范围(℃)过热使用温度范围(℃)特征正极负极钨莱系Wre5、Wre3Wre26、Wre250～23003000适用于还原性、H2及惰性气体。质脆铂铑系PtRh20、PtRh40PtRh5、PtRh20300～15001100～160018001800在高温下使用，热电动势小，其它性能与R型相同铱铑系Ir、Ir、IrIrRh40、IrRh50、IrRh601100～20002100适用于真空、惰性气体及微氧化性气氛。质脆镍钼系NiNiMo180～1280/可用于还原性气氛，热电动势大钯铂系Pd、Pt及Au合金Au、Pd合金0～11001300耐磨性能强，热电动势的大小基本上与K型相同镍铬、金铁以Ni-Cr为主的合金含0.07mo1%Fe的合金0～300K/20K以下热电动势比较大，热电动势的线性好银金、金铁含Au为0.37mo1%的合金含0.03mo1%Fe的Au-Fe合金1～40K/热电动势小，受磁场影响2026/7/1934当热端温度为t时，分度表所对应的热电势eAB(t,0)与热电偶实际产生的热电势eAB(t,t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)由此可见，eAB(t0，0)是冷端温度t0的函数，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。2.4.4热电偶的冷端温度补偿2026/7/1935热电偶一般做得较短，一般为350～2000mm。在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样,冷端温度t0比较稳定。(1)热电偶补偿导线法解决办法：工程中采用一种补偿导线。在0～100℃温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。2026/7/1936常用补偿导线

2026/7/1937

在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0℃恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0℃。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。(2)冷端0℃恒温法（冰浴法）2026/7/1938

当冷端温度t0不等于0℃，需要对热电偶回路的测量电势值eAB（t，t0）加以修正。当工作端温度为t时，分度表可查eAB(t,0)与eAB(t0,0)。根据中间温度定律得到：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)(3)冷端温度修正法2026/7/1939

例子：用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30℃，测得热电势eAB（t，t0）为33.29mV,求加热炉温度。eAB（t，0）=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8℃

解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得eAB（30，0）1.203mV

可得2026/7/1940例用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度T0=30℃，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，测量端实际温度为830℃2026/7/1941(4)冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）2026/7/1942热电偶典型测温线路普通测温线路；(b)带有补偿器的测温线路；(c)具有温度变送器的测温线路；(d)具有一体化温度变送器的测温线路

2.4.5热电偶测温线路测量某一点的温度2026/7/1943

特殊情况下，热电偶可以串联或并联使用，但只能是同一分度号的热电偶，且冷端应在同一温度下。如热电偶正向串联，可获得较大的热电势输出和提高灵敏度；在测量两点温差时，可采用热电偶反向串联；利用热电偶并联可以测量平均温度。2026/7/1944测量两点间温度差（反向串联）2026/7/1945测量平均温度（并联）

特点：当有一只热电偶烧断时，难以觉察出来。当然，它也不会中断整个测温系统的工作。2026/7/1946测量平均温度（正向串联）

优点：热电动势大，仪表的灵敏度大大增加，且避免了热电偶并联线路存在的缺点，可立即可以发现有断路。缺点：只要有一支热电偶断路，整个测温系统将停止工作。2026/7/1947

热电偶的应用2026/7/1948本章小结掌握有关热电偶的基本概念掌握热电偶测温的基本工作原理掌握热电偶的基本定律、基本类型、温度补偿方法、使用热电偶的测温方法会使用分度表，求解被测点的温度2026/7/1949习题：1.热电偶测温是基于____________，其回路中产生的热电动势由________________和_____________两部分组成，其大小仅与两热电极的_____